電能的輸送高二物理備課必備講義（人教2019選擇性必修第二冊）

第三章交變電流第4節(jié)電能的輸送【核心素養(yǎng)目標】物理觀念理解遠距離輸電線上的能量損失與哪些因素有關科學思維應用理想變壓器、電路知識對簡單的遠距離輸電線路進行定量計算.科學探究了解交變電流從發(fā)電站到用戶的輸電過程．科學態(tài)度與責任通過電能的輸送知識應用的實例，感受物理中科學技術與社會的緊密聯(lián)系，體會科學知識的應用價值，進一步增強學生的學習動力和科學意識。知識點一輸電線上的電壓和功率損失【情境導入】假定輸電線路中的電流是I，用戶端的電壓是U，兩條導線的總電阻是r.在圖中，輸電線的電阻集中畫為一個電阻r.(1)怎樣計算輸電線路損失的功率？(2)在輸電電流一定的情況下，如果線路的電阻減為原來的一半，線路上損失的功率減為原來的幾分之一？在線路電阻一定的情況下，如果輸電電流減為原來的一半，線路上損失的功率減為原來的幾分之一？(3)通過對第(2)問的兩項計算，你認為哪個途徑對于降低輸電線路的損耗更為有效？(4)怎樣計算用戶消耗的功率P？(5)在保證用戶的電功率的前提下，怎樣才能減小輸電電流？答案(1)輸電線路損失的功率P損＝I2r.(2)在輸電電流一定的情況下，如果線路的電阻減為原來的一半，則損失的功率減為原來的二分之一；在線路電阻不變的情況下，當電流減為原來的一半，線路上損失的功率減為原來的四分之一．(3)由第(2)問可知，減小電流對于降低輸電線路損耗更為有效．(4)用戶消耗的功率P＝UI.(5)由P＝UI可知I＝eq\f(P,U)，所以在保證電功率不變的前提下，提高輸電電壓，可減小輸電電流．【知識梳理】一、輸送電能的基本要求1．可靠：指保證供電線路可靠地工作，故障少．2．保質(zhì)：保證電能的質(zhì)量——電壓和頻率穩(wěn)定．3．經(jīng)濟：指輸電線路建造和運行的費用低，電能損耗少．二、降低輸電損耗的兩個途徑1．輸電線上的功率損失：P＝I2r，I為輸電電流，r為輸電線的電阻．2．降低輸電損耗的兩個途徑(1)減小輸電線的電阻：在輸電距離一定的情況下，為了減小電阻，應當選用電阻率小的金屬材料，還要盡可能增加導線的橫截面積．(2)減小輸電線中的電流：為了減小輸電電流，同時又要保證向用戶提供一定的電功率，就要提高輸電電壓．【重難詮釋】1．輸電線路的電壓損失輸電線始端電壓U與輸電線末端電壓U′的差值．ΔU＝U－U′＝Ir＝eq\f(P,U)r，其中I為輸電線上的電流，r為輸電線的電阻．2．輸電線路的功率損失(1)遠距離輸電時，輸電線有電阻，電流的熱效應引起功率損失，損失的電功率ΔP＝I2r.(2)若輸電線上損失的電壓為ΔU，則功率損失還可以表示為ΔP＝eq\f(?ΔU?2,r)，ΔP＝ΔU·I.3．減小電壓、功率損失的方法(1)減小輸電線的電阻由R＝ρeq\f(l,S)可知，距離l一定時，使用電阻率小的材料，增大導體橫截面積可減小電阻．(2)減小輸電電流I根據(jù)I＝eq\f(P,U)，在輸送功率P一定，輸電線電阻r一定的條件下，輸電電壓提高到原來的n倍，輸送電流可減為原來的eq\f(1,n)，輸電線上的功率損耗將降為原來的eq\f(1,n2).【典例精析】例1．(多選)在遠距離輸電時，輸送的電功率為P，輸電電壓為U，所有輸電導線的電阻率均為ρ，橫截面積均為S，兩地的距離為L，輸電線上損耗的電功率為P1，用戶得到的電功率為P2.下列關于P1和P2的表達式中正確的是()A．P2＝P(1－eq\f(2PρL,U2S)) B．P2＝P－eq\f(U2S,2ρL)C．P1＝eq\f(2P2ρL,U2S) D．P1＝eq\f(U2S,ρL)【答案】AC【解析】輸電導線上的電流I＝eq\f(P,U)，輸電導線的電阻R＝eq\f(2ρL,S)，輸電線上損耗的電功率為P1＝I2R＝eq\f(2P2ρL,U2S)，用戶得到的電功率為P2＝P－P1＝Peq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1－\f(2PρL,U2S)))，故A、C正確．知識點二遠距離高壓輸電過程的分析與計算【情境導入】某發(fā)電站向遠處送電的示意圖如圖所示，其中各部分的物理量已在圖上標注，在這個電路中包括三個回路。(1)結合閉合電路的知識，分別分析三個回路中各物理量之間的關系(發(fā)電機內(nèi)阻，n1、n2、n3、n4線圈的電阻均忽略不計)。(2)若兩個變壓器均為理想變壓器，則每個變壓器中的電流、電壓、功率有什么關系？【答案】(1)第一個回路：P1＝U1I1第二個回路：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP＋P3＝Ieq\o\al(2,線)R＋P3第三個回路：P4＝U4I4。(2)eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)、eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)、P1＝P2；eq\f(U3,U4)＝eq\f(n3,n4)、eq\f(I3,I4)＝eq\f(n4,n3)、P3＝P4。【知識梳理】電網(wǎng)供電1．遠距離輸電的基本原理：在發(fā)電站內(nèi)用升壓變壓器升壓，然后進行遠距離輸電，在用電區(qū)域通過降壓變壓器降到所需的電壓．2．電網(wǎng)：通過網(wǎng)狀的輸電線、變電站，將許多電廠和廣大用戶連接起來，形成全國性或地區(qū)性的輸電網(wǎng)絡．3．電網(wǎng)輸電的優(yōu)點(1)降低一次能源的運輸成本，獲得最大的經(jīng)濟效益．(2)減小斷電的風險，調(diào)劑不同地區(qū)電力供需的平衡．(3)合理調(diào)度電力，使電力的供應更加可靠，質(zhì)量更高．【重難詮釋】解決遠距離高壓輸電問題的基本方法1．首先應畫出遠距離輸電的電路圖(如圖)，并將已知量和待求量寫在電路圖的相應位置．2．理清三個回路：回路1：P1＝U1I1回路2：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP＋P3＝I22R線＋P3，I2＝I3回路3：P4＝U4I4.3．常用關系(1)功率關系：P1＝P2，P2＝ΔP＋P3，P3＝P4.(2)電壓關系：eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)，U2＝ΔU＋U3，eq\f(U3,U4)＝eq\f(n3,n4).(3)電流關系：eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)，I2＝I線＝I3，eq\f(I3,I4)＝eq\f(n4,n3).(4)輸電電流：I線＝eq\f(P2,U2)＝eq\f(P3,U3)＝eq\f(ΔU,R線).(5)輸電線上損耗的電功率：ΔP＝P2－P3＝I線2R線＝eq\f(?ΔU?2,R線)＝ΔU·I線．(6)輸電線上的電壓損失：ΔU＝I線R線＝U2－U3.(7)輸電效率η＝eq\f(P3,P2)×100%.【典例精析】例2．(多選)如圖所示，某小型發(fā)電站發(fā)電機輸出的交流電壓為500V，輸出的電功率為50kW，用總電阻為3Ω的輸電線向遠處送電，要求輸電線上損失功率為輸電功率的0.6%，則發(fā)電站要安裝一升壓變壓器，到達用戶再用降壓變壓器變?yōu)?20V供用戶使用(兩個變壓器均為理想變壓器)．對整個送電過程，下列說法正確的是()A．輸電線上的損失功率為300WB．升壓變壓器的匝數(shù)比為1∶100C．降壓變壓器的輸入電壓為4970VD．降壓變壓器的匝數(shù)比為100∶1【答案】AC【解析】輸電線上的損失功率為P損＝P×0.6%＝50kW×0.6%＝300W，A項正確；輸電線上的電流為I2＝eq\r(\f(P損,R))＝eq\r(\f(300,3))A＝10A，升壓變壓器副線圈兩端的電壓為U2＝eq\f(P,I2)＝eq\f(50×103,10)V＝5×103V，由eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)得eq\f(n1,n2)＝eq\f(1,10)，B項錯誤；輸電線上損失的電壓為U損＝I2R＝10×3V＝30V，降壓變壓器輸入電壓為U3＝5000V－30V＝4970V，C項正確；由eq\f(U3,U4)＝eq\f(n3,n4)得eq\f(n3,n4)＝eq\f(497,22)，D項錯誤．針對訓練一、單選題1．如圖所示，一小型水電站通過升壓變壓器和降壓變壓器給某生活區(qū)供電，發(fā)電機組輸出電壓恒定，輸電線電阻保持不變。該生活區(qū)夜晚用電量大于白天用電量，則夜晚與白天比較（）A．發(fā)電機的輸出功率不變B．用戶獲得的電壓升高C．輸電線上損失的功率減小D．降壓變壓器輸入電壓降低【答案】D【解析】A．生活區(qū)夜晚用電量大于白天用電量，所以對應的發(fā)電機的輸出功率夜晚大于白天，故A錯誤；BD．夜晚輸電線上電流比白天大，輸電線上的電壓損失比白天大，降壓變壓器的輸入電壓比白天低，到達用戶時，用戶獲得的電壓比白天低，故B錯誤，D正確；C．根據(jù)，知夜晚輸電線上損失的功率變大，故C錯誤。故選D。2．圖（a）是目前世界上在建規(guī)模最大、技術難度最高的水電工程——白鶴灘水電站，是我國實施“西電東送”的大國重器，其發(fā)電量位居全世界第二，僅次于三峽水電站。白鶴灘水電站遠距離輸電電路示意圖如圖（b）所示，如果升壓變壓器與降壓變壓器均為理想變壓器，發(fā)電機輸出電壓恒定，R表示輸電線電阻，則當用戶功率增大時（????）A．示數(shù)增大，示數(shù)減小 B．、示數(shù)都減小C．輸電線上的功率損失增大 D．、示數(shù)的乘積等于、示數(shù)的乘積【答案】C【解析】A．當用戶功率增大時，降壓變壓器次級電流會變大，示數(shù)增大；此時發(fā)電機輸出功率增大，線路中電流增大，示數(shù)增大，A項錯誤；B．發(fā)電廠輸出的電壓恒定，則電壓表的示數(shù)不變，由于輸電線上電流變大，則輸電線上損失的電壓變大，則降壓變壓器原線圈兩端電壓變小，次級電壓也會就減小，即電壓表的示數(shù)減小，B項錯誤；C．由于示數(shù)增大，則根據(jù)可知輸電線上損失的功率增大，C項正確；D．根據(jù)輸電線上有功率損失，可知、示數(shù)乘積大于、示數(shù)乘積，選項D項錯誤。故選C。3．隨著經(jīng)濟發(fā)展，加之寒冬來臨，用電需求增加，當火力發(fā)電供應緊張時，通過遠距離調(diào)度方式，會及時將其他地區(qū)的風力發(fā)電、太陽能發(fā)電并入電網(wǎng)保障電力供應。如圖是遠距離輸電的原理圖，假設發(fā)電廠輸出電壓恒定不變，兩個變壓器均為理想變壓器。當用戶用電器增加（假設所有用電器均可視為純電阻），電網(wǎng)中數(shù)據(jù)發(fā)生變化，下列說法正確的是（????）A．降壓變壓器的輸出電流減小B．輸電線上損失的功率減小C．升壓變壓器的輸出電壓增大D．發(fā)電廠輸出的總功率增大【答案】D【解析】C．根據(jù)原、副線圈電壓比等于匝數(shù)比可得可得升壓變壓器的輸出電壓為由于匝數(shù)不變，發(fā)電廠輸出電壓恒定不變，可知升壓變壓器的輸出電壓不變，故C錯誤；A．設輸電線電阻為，用戶端總電阻為，在高壓傳輸電路上，有又，，聯(lián)立可得當用戶用電器增加，可知減小，則降壓變壓器的輸出電流增大，故A錯誤；B．根據(jù)由于增大，可知增大，輸電線上損失的功率為可知輸電線上損失的功率增大，故B錯誤；D．根據(jù)由于增大，可知增大，發(fā)電廠輸出的總功率為可知發(fā)電廠輸出的總功率增大，故D正確。故選D。4．遠距離輸電的模擬電路如圖所示，升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為，輸電線的電阻為R，降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為n，降壓變壓器副線圈連接多個并聯(lián)的燈泡。電路工作時交流電源的輸出電壓不變，升壓變壓器原線圈兩端的電壓為，其中的電流為；降壓變壓器副線圈兩端的電壓為，其中的電流為。以下說法正確的是（）A． B．C．若增加并聯(lián)燈泡的個數(shù)，會增大 D．若增加并聯(lián)燈泡的個數(shù)，會減小【答案】B【解析】AB．由輸電電路可知，設導線上電流為I，升壓變壓器次級電壓則降壓變壓器初級電壓降壓變壓器次級電壓輸電線的電流即降壓變壓器初級電流也為降壓變壓器次級電流選項A錯誤，B正確；CD．根據(jù)解得若增加并聯(lián)燈泡的個數(shù)，則負載電阻減小，導線上的電流I變大，輸電線的電壓損失變大，因升壓變壓器的次級電壓不變，則降壓變壓器初級電壓減小，則次級電壓會減小，根據(jù)，則I2也變大，選項CD錯誤。故選B。5．2022年夏天我國南方地區(qū)持續(xù)高溫，用戶用電量激增，使用戶端電壓有所降低。遠距離輸電的示意圖如圖所示，發(fā)電廠的輸出電壓保持不變，升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器，輸電線總電阻一定，當用戶用電量增加時，下列說法正確的是（）A．升壓變壓器的輸出電壓降低B．降壓變壓器的輸出電流增加C．輸電線上損失的功率不變D．發(fā)電廠的輸出功率不變【答案】B【解析】A．發(fā)電廠的輸出電壓不變，設升壓變壓器原副線圈匝數(shù)分別為n1、n2，則對升壓變壓器所以升壓變壓器的輸出電壓不變，故A錯誤；BC．當用戶量增加時，用戶端電壓有所降低，設降壓變壓器原副線圈匝數(shù)分別為n3、n4，則對降壓變壓器可得降壓變壓器的輸入電壓降低，因為升壓變壓器的輸出電壓不變，根據(jù)所以輸電線上的電流增大，根據(jù)輸電線上損失的功率增加，且對降壓變壓器可知降壓變壓器輸出電流I4增加，故B正確，C錯誤；D．根據(jù)升壓變壓器電流比的關系可知發(fā)電廠的輸出電流增加，根據(jù)升壓變壓器輸入電壓不變，則可知發(fā)電廠的輸出功率增加，故D錯誤。二、多選題6．某同學在實驗室中研究遠距離輸電。由于輸電線太長，他將每100米導線卷成一卷，共卷成8卷來代替輸電線路（忽略輸電線路的自感作用）。第一次直接將輸電線與學生電源及用電器相連，測得輸電線上損失的功率為P1。第二次采用如圖所示的電路輸電，其中理想變壓器T1與電源相連，其原、副線圈的匝數(shù)比為，理想變壓器T2與用電器相連，測得輸電線上損失的功率為P2。下列說法錯誤的是（）A．前后兩次實驗都可用于研究遠距離直流輸電B．實驗可以證明，減小輸電電流能減小遠距離輸電的能量損失C．若輸送功率一定，則D．若輸送功率一定，則【答案】AD【解析】A.變壓器只能改變交變電流的電壓，所以第二次實驗只能研究遠距離交流輸電，A錯誤；B.實驗可以證明，減小輸電電流能減小，遠距離輸電的能量損失，B正確；C.第一次實驗輸電線上的電流為輸電線上損失的功率為第二次實驗，升壓變壓器副線圈上的電壓為輸電線上的電流為輸電線上損失的功率所以==C正確，D錯誤；由于本題選擇錯誤的選項，故選AD。7．如圖所示，為了減少電能損失，一小型水電站用變壓比的理想升壓變壓器向距離較遠的用戶供電，已知發(fā)電機的輸出功率為46kW，輸電線路導線總電阻為，最后用戶得到220V、44kW的電力，則下列說法正確的是（）A．發(fā)電機的輸出電壓是460VB．輸電線上的電流是40AC．輸電線上損失的電壓是200VD．用戶降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比【答案】AD【解析】ABC．輸電線路導線損失的功率為輸電線上損失的電壓為輸電線上的電流為理想變壓器，電流與匝數(shù)成反比，則升壓變壓器原線圈的電流為則發(fā)電機的輸出電壓為BC錯誤，A正確；D．對于升壓變壓器的輸出電壓為降壓變壓器的輸入電壓為降壓變壓器的匝數(shù)比為D正確。故選AD。8．如圖為某水電站遠距離輸電的原理圖。升壓變壓器的原副線圈匝數(shù)比為，輸電線總電阻為，升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器，發(fā)電廠輸出的電壓恒為，若由于用戶端負載變化，使發(fā)電廠輸出功率增加了。下述正確的是（????）A．電壓表的示數(shù)不變，電壓表的示數(shù)減小B．電流表、的示數(shù)均增大C．輸電線上損失的電壓增加了D．輸電線上損失的功率增加了【答案】ABC【解析】B．根據(jù)題意，據(jù)公式可知，由于發(fā)電廠輸出的電壓恒為U，發(fā)電廠輸出功率增加了，則發(fā)電廠的輸出電流增加了，升壓變壓器原線圈中電流變大，由于升壓變壓器和降壓變壓器線圈匝數(shù)比不變，則由電流與匝數(shù)的關系可知，電流表、的示數(shù)均增大，B正確；A．由于發(fā)電廠輸出的電壓恒為U，則電壓表的示數(shù)不變，由于輸電線上電流變大，則輸電線上損失的電壓變大，則降壓變壓器原線圈兩端電壓變小，副線圈兩端電壓也變小，則電壓表的示數(shù)減小，A正確；C．由電流與匝數(shù)的關系可知，輸電線上電流增加了則輸電線上損失的電壓增加了C正確；D．由公式可得，輸電線上損失的功率增加了D錯誤。故選ABC。9．我國特高壓輸電技術全球領先。若在傳輸電能總功率不變情況下，從原先150kV高壓輸電升級為1350kV特高壓輸電，則下列說法正確的是（）A．若輸電線不變，則輸電線上損失的電壓變?yōu)樵鹊腂．若輸電線不變，則輸電線上損失功率變?yōu)樵鹊腃．如果傳輸距離相同，用相同材料、但橫截面積是原來的輸電線，則損失功率不變D．如果傳輸距離是原來的81倍，用相同材料、相同粗細的輸電線，則損失功率不變【答案】BD【解析】A．根據(jù)題意有所以所以輸電線上損失的電壓的關系為所以故A錯誤；B．輸電線上損失的功率的關系為所以故B正確；C．如果傳輸距離相同，用相同材料、但橫截面積是原來的輸電線，則輸電線的電阻變?yōu)樗怨蔆錯誤；D．如果傳輸距離是原來的81倍，用相同材料、相同粗細的輸電線，則輸電線的電阻變?yōu)樗怨蔇正確。故選BD。10．如圖所示，導線框繞垂直于勻強磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的交變電動勢，導線框與理想升壓變壓器相連進行遠距離輸電。輸電線路的電流為2A，輸電線路總電阻為25Ω，理想降壓變壓器副線圈接人一臺電動機，電動機恰好正常工作，且電動機兩端的電壓為220V，電動機內(nèi)阻為8.8Ω，電動機的機械效率恒為80%，導線框及其余導線電阻不計，不計一切摩擦，則（）A．該發(fā)電機的電流方向每秒鐘改變50次，圖示位置線圈的磁通量變化率為0B．不計摩擦，線框轉(zhuǎn)動一圈過程中，克服安培力做功24JC．保持線框轉(zhuǎn)速不變，若電動機突然卡住，輸電線上的損耗功率將增加D．升壓變壓器原副線圈匝數(shù)比為2：5，降壓變壓器原副線圈匝數(shù)比為6：1【答案】BC【解析】A．依題意，可知交變電流的頻率為線圈每轉(zhuǎn)一圈，電流方向改變兩次，所以該發(fā)電機的電流方向每秒鐘改變100次，圖示位置為中性面，線圈的磁通量變化率為最大。故A錯誤；B．電動機的機械效率恒為80%，有可知，流過電動機的電流為回路中消耗的總電功率為根據(jù)能量守恒，線框轉(zhuǎn)動一周過程中，克服安培力做功故B正確；C．若電動機突然卡住，電動機變成純電阻電路，流過電路的